基于DDS的BJT放大器特性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

石夢(mèng)航　黃松

摘 ?要： 由BJT構(gòu)成的放大器電路目前廣泛應(yīng)用于各類電子電路，而輸入、輸出電阻，增益，截止頻率，幅頻特性等作為BJT放大器的重要性能指標(biāo)，對(duì)電路特性的測(cè)量和工作狀況的判斷具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32和DDS的BJT放大器特性測(cè)試系統(tǒng)，其中包括硬件電路搭建和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過按鍵實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量模式的切換，利用采樣電路完成數(shù)據(jù)采集，通過STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將相應(yīng)性能指標(biāo)參數(shù)顯示在OLED上。測(cè)試結(jié)果證明，在誤差允許范圍內(nèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)BJT放大器電路特性的有效自動(dòng)測(cè)量。

關(guān)鍵詞：?放大器電路;直接數(shù)字式頻率合成器;性能指標(biāo)

中圖分類號(hào)： TP23????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.002

【Abstract】： Input resistance， output resistance， gain， cut-off frequency and amplitude-frequency characteristic are used to understand the important performance indicators of BJT amplifier， which is of great significance to the measurement of circuit characteristics and the judgment of working conditions. On that basis， a BJT amplifier characteristic test system based on STM32 and DDS is designed， including hardware circuit and software design. The switch of virous measurement modes is realized by pressing the button. The voltage collection is completed by the input and output voltage sampling circuit and the data is processed through STM32 and the relevant information is displayed on the OLED screen. The experiment and test results show that the device can automatically test the circuit characteristics of BJT amplifier.

【Key words】： Amplifier circuit; Direct digital synthesizer; Performance index

0??引言

由雙極結(jié)型晶體管構(gòu)成的放大器電路廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表[1]，其輸入、輸出電阻，增益，截止頻率等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的測(cè)量在工程應(yīng)用中具有重要意義[2]。然而傳統(tǒng)的測(cè)量方法必須同時(shí)借助示波器等多種測(cè)試儀器進(jìn)行反復(fù)測(cè)量和理論計(jì)算，成本較高且過程繁瑣。因此，設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)測(cè)量放大器各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)簡(jiǎn)化測(cè)量過程，提高檢測(cè)效率具有重要意義。本文設(shè)計(jì)的基于DDS的BJT放大器特性測(cè)試系統(tǒng)，能夠通過外接端口對(duì)BJT放

大電路的電路特性進(jìn)行有效自動(dòng)測(cè)量。

1??系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1??系統(tǒng)方案

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)[3]，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括STM32單片機(jī)模塊，DDS信號(hào)發(fā)生模塊[4]、輸入電壓采樣模塊、輸出電壓采樣模塊、電源模塊[5]。系統(tǒng)通過按鍵進(jìn)行模式選擇后，由STM32控制DDS輸出測(cè)試信號(hào)，同時(shí)采集由采樣模塊反饋的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后得到相應(yīng)性能指標(biāo)，并直接通過OLED顯示。電路特性測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 ?DDS信號(hào)發(fā)生模塊

該模塊由以AD9833芯片為核心的信號(hào)發(fā)生電路及信號(hào)調(diào)理電路[6]構(gòu)成，如圖2。信號(hào)發(fā)生部分可受STM32控制輸出帶寬為1?kHz～200?kHz且有效值穩(wěn)定在500?mV左右的正弦波信號(hào)。考慮測(cè)量放大電路的電路特性對(duì)輸入信號(hào)的特殊要求，故需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路對(duì)初始正弦波信號(hào)進(jìn)行電壓調(diào)理。調(diào)理電路通過電壓放大電路和電壓跟隨電路將初始正弦

波信號(hào)電壓有效值縮小至10?mV左右。

1.3 ?輸入電壓采樣模塊

如圖3，該模塊用于測(cè)量待測(cè)放大電路前端串聯(lián)的1?kΩ分壓電阻R1兩端的電壓信號(hào)。

利用電壓跟隨電路和減法電路得到兩端電壓，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確性，經(jīng)由比例運(yùn)算電路將放大5倍。由于STM32單片機(jī)端口輸入電壓范圍為0?V～3.3?V，不能接受負(fù)電壓，因此需對(duì)放大后的交流電壓5附加1.56?V的直流偏置以便測(cè)量。在測(cè)量放大電路輸入電阻時(shí)，利用DDS信號(hào)發(fā)生模塊輸出的電壓有效值以及該電壓采樣模塊所采集的分壓電阻電壓有效值即可由分壓原理計(jì)算得出放大電路的輸入電阻[7]即：

1.4 ?輸出電壓采樣模塊

該模塊由以AD637芯片[8]為核心的運(yùn)算電路和輸出電壓直流采樣電路組成，如圖4。

受測(cè)放大電路輸出端口通過由STM32控制的繼電器與輸出電壓采樣模塊相連，運(yùn)算電路可計(jì)算并輸出電壓交流有效值，直流采樣電路可測(cè)量電壓直流偏置大小。在測(cè)量放大電路輸出電阻時(shí)，STM32通過繼電器開關(guān)控制分壓電阻是否串入采樣電路。利用運(yùn)算電路分別采樣串入電路與斷開時(shí)交流輸出有效值和即可計(jì)算得出放大電路輸出電阻Ro即：

2??系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)[9]，主體框架包含主程序模塊，模式選擇模塊，電路特性檢測(cè)模塊[10]。其中電路特性檢測(cè)模塊包含DDS配置模塊、輸入輸出電阻測(cè)量及增益計(jì)算模塊、頻幅特性測(cè)量模塊。

2.1 ?主程序模塊

當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)接通電源時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，隨后主程序不斷循環(huán)執(zhí)行模式選擇和電路特性檢測(cè)這兩個(gè)模塊，如圖5所示。

2.2 ?模式選擇模塊

模式選擇流程如圖6所示。進(jìn)入模式選擇后首先判斷運(yùn)行標(biāo)志位，即此時(shí)是否有其他工作未完成。若運(yùn)行標(biāo)志位為0則結(jié)束模式選擇，若為1則繼續(xù)進(jìn)行模式選擇按鍵判斷。程序循環(huán)掃描判斷按鍵狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)模式選擇和標(biāo)志位操作。

2.3??電路特性檢測(cè)模塊

經(jīng)模式選擇后，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)模式工作，分別為測(cè)量放大器輸入電阻、輸出電阻、放大器在特定輸入頻率下的增益和放大器的頻幅特性。每個(gè)模式均通過不同模塊完成，且模塊之間進(jìn)行相應(yīng)隔離以減少電磁干擾。

2.3.1 ?輸入電阻測(cè)量模塊

若按下按鍵一，則程序進(jìn)入輸入電阻測(cè)量模塊，如圖7。由DDS信號(hào)發(fā)生模塊輸出頻率為1?kHz的正弦波，輸入電壓采樣模塊取得電壓并計(jì)算放大電路輸入電壓有效值。由串聯(lián)電阻分壓原理計(jì)算放大電路輸入電阻，最終測(cè)量結(jié)果顯示在OLED上[11]。最終清除運(yùn)行標(biāo)志位和模式一標(biāo)志位并關(guān)閉信號(hào)發(fā)生模塊的輸出，結(jié)束此模塊。

2.3.2 ?輸出電阻測(cè)量模塊

若按下按鍵二，則程序進(jìn)入輸出電阻測(cè)量模塊，如圖8。由STM32控制DDS信號(hào)發(fā)生模塊輸出頻率為1?kHz的正弦波并依次打開、關(guān)閉電磁繼電???器[12]，通過有效值運(yùn)算電路分別取得輸出電壓有效值和。利用和求出放大器輸出電阻并在OLED上顯示，最后清除運(yùn)行標(biāo)志位和模式二標(biāo)志位并關(guān)閉信號(hào)發(fā)生模塊的輸出，結(jié)束此模塊。

2.3.3 ?增益測(cè)量模塊

若按下按鍵三，則程序進(jìn)入增益測(cè)量模塊，如圖9。進(jìn)入模塊后首先控制DDS信號(hào)發(fā)生模塊輸出1?kHz正弦波，此后分別多次采樣得出輸入和輸出電壓有效值的平均值，以此計(jì)算得出放大器此時(shí)的增益并在OLED屏幕上顯示。最后清除運(yùn)行標(biāo)志位和模式三標(biāo)志位并關(guān)閉信號(hào)發(fā)生模塊的輸出，結(jié)束此模塊。

2.3.4 ?頻幅特性測(cè)量模塊

若按下按鍵四，則程序進(jìn)入頻幅特性測(cè)量模塊，如圖10。基于測(cè)量電路頻率特性的掃頻法[13]，此時(shí)DDS信號(hào)發(fā)生模塊輸出的正弦波將按照頻率數(shù)組Fre[ ]中儲(chǔ)存的頻率數(shù)值進(jìn)行不等幅掃頻，直至掃完所存所有頻率值。每次掃頻時(shí)均將對(duì)放大器輸入、輸出電壓進(jìn)行多次采樣并分別取其平均值，以此求得該頻率下放大器的增益并將數(shù)值存入增益數(shù)組。同時(shí)在OLED屏幕上以頻率為橫坐標(biāo)，增益為縱坐標(biāo)描點(diǎn)。掃頻結(jié)束后通過遞歸算法尋找增益最大值，并找出數(shù)組兩端與其3dB減小后最接近的兩個(gè)增益值F_U、F_D。而后在頻率數(shù)組Fre[ ]中找到與F_U、F_D相對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)值作為該放大器的上下限截止頻率，并在OLED屏幕上顯示。最后清零運(yùn)行標(biāo)志位和模式四標(biāo)志位，結(jié)束此模塊。

3 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖11所示為本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的放大器測(cè)試電路。

使用測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量該BJT放大電路的各項(xiàng)特性。如圖12a，圖12b，圖12c，圖12d所示分別為所測(cè)得該測(cè)試電路輸入電阻、輸出電阻、增益、上限截止頻率及幅頻特性曲線。

如表1所示，測(cè)試結(jié)果表明在一定誤差允許范圍內(nèi)，該測(cè)試系統(tǒng)能夠較為精準(zhǔn)地測(cè)量放大電路輸入、輸出電阻，增益以及上限截止頻率，同時(shí)能夠較為精準(zhǔn)地描繪測(cè)試放大電路的幅頻特性曲線，符合設(shè)計(jì)要求。

4 ?結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于DDS的BJT放大器特性測(cè)試系統(tǒng)，并搭建了相應(yīng)測(cè)試電路。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在較小誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠較高精度自動(dòng)測(cè)量放大電路的輸入、輸出電阻，增益，上限截止頻率并繪制其幅頻特性曲線，直接顯示在OLED上。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，該測(cè)試系統(tǒng)具有高精度、智能化、易操作等優(yōu)點(diǎn)，滿足工程測(cè)量的需求。

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